Klímaváltozási jelenségek modellezése egy elméleti vízi ökoszisztémában

Átírás

1 Klímaváltozási jelenségek modellezése egy elméleti vízi ökoszisztémában Doktori (PhD) értekezés Horváthné Drégelyi-Kiss Ágota Budapest 2011

2 A doktori iskola megnevezése: Budapesti Corvinus Egyetem Tájépítészeti és Tájökológiai Doktori Iskola tudományága: Agrárm szaki Vezet je: Csemez Attila, DSc tanszékvezet egyetemi tanár Budapesti Corvinus Egyetem Tájtervezési és Területfejlesztési Tanszék Témavezet : Hufnagel Levente, PhD tudományos f munkatárs MTA BCE Alkalmazkodás a klímaváltozáshoz Kutatócsoport A jelölt a Budapesti Corvinus Egyetem Doktori Szabályzatában el írt valamennyi feltételnek eleget tett, az értekezés m helyvitájában elhangzott észrevételeket és javaslatokat az értekezés átdolgozásakor figyelembe vette, ezért az értekezés védési eljárásra bocsátható... Az iskolavezet jóváhagyása... A témavezet jóváhagyása

3 A Budapesti Corvinus Egyetem Élettudományi Területi Doktori Tanácsának március 8-i határozatában a nyilvános vita lefolytatására az alábbi bíráló Bizottságot jelölte ki: BÍRÁLÓ BIZOTTSÁG: Elnöke Fekete András, DSc Tagjai Vermes László, DSc Mészáros Zoltán, DSc Réti Tamás, DSc Fodor Nándor, PhD Opponensek Kollárné Hunek Klára, CSc Pokorádi László, CSc Titkár Gergócs Veronika, MSc

4

5 1 Bevezetés és célkit zés Célkit zések Szakirodalmi áttekintés Az ökoszisztémák m ködésének általános jellemz i A bioszféra energia és anyagmérlege A Föld energiamérlege Biogeokémiai ciklusok A bioszféra szén körforgalma és annak megváltozása az antropogén hatások következtében Föld-klíma kölcsönhatások Biotikus visszacsatolások Diszturbancia hatása az ökoszisztémák m ködésére A bioszféra modellezési lehet ségei a klímaváltozás hatásainak vizsgálatára Emissziós szcenáriók Általános cirkulációs modellek (GCM) Vegetáció modellezése Kapcsolt szén-ciklus klíma modellek Anyagok és módszerek Az ökológiai kutatások módszertani irányai Alkalmazott modellezési módszerek H mérsékleti mintázatok függvényei Konstans h mérséklet Egy éven belüli h mérsékleti ingadozás szinuszos függvény szerint múltbeli és jöv beli h mérsékleti klíma mintázatok Az elméleti ökoszisztéma vizsgálatának kimeneti paraméterei Vizsgálójelek alkalmazása az elméleti ökoszisztéma modell egyensúlyra való beállásának elemzésére Statisztikai módszerek a szimulációs kísérletek eredményeinek értékelése során Fogalmak és rövidítések A kidolgozott elméleti ökoszisztéma növekedési modell (TEGM) bemutatása A szaporodás matematikai leírása Szaporodási függvény definiálása H mérsékleti mintázatok Klíma-ökoszisztéma modell tesztelése Versengés A modell bizonytalansága Közepes bolygatási hipotézis jelenléte a szimulációs kísérletek során A szabályozó hatás matematikai megfogalmazása

6 TARTALOMJEGYZÉK 5 A szimulációs kísérletek eredményei Elméleti ökoszisztéma modell szimulációs kísérletei különböz klimatikus körülmények esetén Konstans h mérsékleti mintázat vizsgálata Egy éven belüli h mérsékleti ingadozás szinuszos függvény szerint Valós és jöv beli h mérsékleti klíma mintázatok Diszturbancia hatása a közösség adaptáltságára a TEGM modellben Egységimpulzus vizsgálata Egységugrás vizsgálata Egységsebesség vizsgálata Napi véletlen zavarás A közösség kezdeti egyenletességének hatása a produktivitásra és összetételre Az elméleti ökoszisztéma szabályozó hatásának vizsgálata a klímára Tézisek TEGM modell megállapításai különböz h mérsékleti feltételek mellett Diszturbancia hatása egy elméleti közösség alkalmazkodására Klíma-ökoszisztéma rendszer szabályozó hatása Diszkusszió Elméleti ökoszisztéma növekedési modell leírása Különböz h mérsékleti függvényekre vonatkozó szimulációs kísérletek eredményeinek megvitatása Klíma-ökoszisztéma rendszer alkalmazkodásának kialakulása diszturbancia hatására Az elméleti ökoszisztéma szabályozó hatásának megvitatása Kitekintés Összefoglalás Summary Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék Mellékletek... i Mellékletekben használt rövidítések..ii Melléklet A : Konstans h mérsékleti mintázatokra adott válaszok.....iii Melléklet B : Szinuszos h mérsékleti mintázat eredményei v Melléklet C : Valós és jöv beli h mérsékletre adott válaszok....ix Melléklet D : H mérsékleti impulzusok vizsgálata... xiii Melléklet E : H mérséklet ugrások hatásának vizsgálata az ökoszisztéma összetételére...xxiv Melléklet F : Lineáris h mérsékleti mintázat hatásának vizsgálata xxvii Melléklet G : Napok közötti véletlen ingadozások vizsgálata..xxx CD melléklet 2

7 Az elmúlt évek, évtizedek során megfigyelhet és tapasztalható, hogy a globális klímaváltozás hatással van mindennapi életünkre, hiszen egyre gyakrabban fordulnak el széls séges id járási viszonyok, amelyek nem csak hazánkra vagy Európára jellemz ek, hanem az egész bolygónkra. A klímaváltozás már az 1972-ben megtartott Stockholmi Konferencián (Egyesült Nemzetek Konferenciája az Emberi Környezetr l) az érdekl dés középpontjába került, ahol felhívták a figyelmet az üvegház hatású gázok és a globális éghajlatváltozás közötti kapcsolat vizsgálatára. Az évi 1. Éghajlati Világkonferencia alkalmával került sor els nek a klímaváltozásokkal kapcsolatos nemzetközi tárgyalásokra ban, a torontói Éghajlatváltozási Konferencián fogalmazódott meg el ször az a javaslat, hogy a kormányok az ezredfordulóra, illetve azt követ en jelent sen csökkentsék a légköri üvegház-hatást er sít és ezzel az éghajlatváltozás kockázatát nagymértékben növel szén-dioxid kibocsátást a hatáskörükbe tartozó területeken. Ezt követ en megalakult az ENSZ Környezetvédelmi Programja (UNEP) és a Meteorológiai Világszervezet (WMO) kezdeményezésére az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (IPCC). A testület célja, hogy megvizsgálja és összefoglalja az emberi tevékenység által kiváltott klímaváltozással kapcsolatos kutatási eredményeket. Saját kutatást nem végez, hanem referált tudományos publikációkat dolgoz fel, és ezek tartalmát jelentéseiben foglalja össze. Az 1990 novemberében megtartott 2. Éghajlati Világkonferenciára állította össze els jelentését az IPCC ben került sor az Éghajlat-változási Keretegyezmény Kiotói Jegyz könyvének aláírására, amelyben az aláíró felek (fejlett országok) megállapodtak az üvegházhatású gázok emissziójának csökkentésér l és az ehhez kapcsolódó vállalásokról. Ezek alapján a fejlett országok vállalták, hogy az évet bázisévnek tekintve, 2012-ig átlagban 5,2 százalékkal csökkentik az üvegházhatású gázok kibocsátását. A megállapodáshoz Magyarország is csatlakozott 6 százalékos csökkenést vállalva ban a Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium és a Magyar Tudományos Akadémia között megállapodás született a VAHAVA (Változások Hatások Válaszok) projekt indításáról. Ez valójában három kutatást ölelt fel, az els a környezeti állapot értékelésével, a második a fenntartható vízgazdálkodással, a harmadik pedig a klímaváltozás hazai hatásaival és az arra adandó válaszokkal foglalkozik. A kutatási program 2006-ban befejez dött, de a 3

8 klímaváltozással összefügg kutatásokban, cselekvési programokban csak az els, de nagyon hatásos lépést jelentette. A VAHAVA kutatási, innovációs projekt folytatásaként jött létre a Klímaváltozás: Környezet Kockázat Társadalom elnevezés Jedlik Ányos (NKTH) program a Budapesti Corvinus Egyetem Kertészettudományi Karának Matematika és Informatika Tanszék irányításával, amely 2008-ban fejez dött be ben elkészült az IPCC negyedik összefoglaló jelentése, amelyben a legfrissebb kutatási eredmények összefoglalója található, miszerint a Föld átlagh mérséklete kb. 0,6 C-ot emelkedett az elmúlt 100 évben, ennek a hatása már látszik, és a XXI. századra 2 4 C-os emelkedés várható. A klímaváltozás érinti gazdasági és társadalmi életünk minden szektorát, és hatással van a természetes ökológiai rendszerekre is. (FISCHLIN et al., 2007.) Ma már közismert tény, hogy az ember a természeti er forrásokra támaszkodva, így az ökoszisztémák el nyeit felhasználva éli társadalmi és gazdasági életét. A klímaváltozás kezelése mellett sürget globális feladatként kell megemlíteni a biodiverzitás, azaz a biológiai sokféleség meg rzését és védelmét. A biodiverzitás magában foglalja a fajgazdagságot, a genetikai gazdagságot és az él helyek gazdagságát, röviden az élet különböz formáinak sokaságát. Az ENSZ biológiai sokféleségr l szóló egyezménye - Convention on Biological Diversity 1992-ben jött létre a Riói Föld-csúcstalálkozón, az Éghajlatváltozási Keretegyezménnyel együtt. Kulcsfontosságú globális ígéretei 2002-ben, a Johannesburgi Csúcstalálkozón születtek meg, amikor is a kormányok egyetértettek abban, hogy 2010-re jelent sen mérséklik a biológiai diverzitás csökkenési ütemét. A természetvédelmi szervezetek elismerték, hogy bizonyos regionális sikerek ellenére sem fogják elérni a kit zött célt. Egyes elemzések azt sugallják, hogy a természet elvesztésének üteme inkább n, mint csökken. Ezért mivel a fajok most zajló elvesztése az emberek jólétét veszélyezteti, az ENSZ a 2010-es évet a Biodiverzitás Nemzetközi Évének jelölte ki. Az ENSZ reméli, hogy a októberben Japánban tartandó klíma-csúcson sikerül létrehozni egy egyezséget a biológiai sokféleség elvesztésének megakadályozására. Fontos feladat a klímaváltozás és a biodiverzitás kapcsolatrendszerének kutatása. A klímaváltozásra adott válasz vizsgálata napjainkra az ökológia egyik legdinamikusabban fejl d ágává vált. CHARNEY 1975-ben volt az els, aki az ökoszisztémák hatását vizsgálta a klímára. A vizsgálataiban a Szahara felszínének megváltozása általi visszacsatolásról szól. A kés bbiekben a globális klíma modellek már a földfelszín légkör komplex hatásait tartalmazzák. Az utóbbi években fontossá vált a szárazföldi ökoszisztémák vegetációs m ködésének hatásainak vizsgálata a klimatikus viszonyokra (FRIEDLINGSTEIN et al , MEIR et al., 2006). Növelve a szárazföldi ökológia szerepét a Föld rendszer modellekben (EMIC) meghatározható a vegetáció és talaj 4

9 folyamatainak visszahatásai a klímára, és egyre jobban érthet vé válik a földhasználatmegváltozásának hatása a szén körforgására. Doktori munkám alapjának egy komplex stratégiai klíma-ökoszisztéma modell kidolgozását tekintem, amely segítségével a klíma h mérsékleti megváltozásának hatását lehet vizsgálni a mesterséges ökoszisztéma összetételére, diverzitására. - Célom volt egy elméleti klíma-ökoszisztéma rendszer modell kidolgozása a klíma h mérsékleti megváltozásának vizsgálataira. - Az elméleti ökoszisztéma aktív részvételével a szén-körforgásban lehet ség nyílik arra, hogy a h mérsékleti-klíma szabályozóképessége is vizsgálható legyen a csoportosulásnál. A szabályozó hatás vizsgálatára szeretnék egy egyszer modellt kifejleszteni. A stratégiai modellek felépítése után célom a felmelegedés és h mérsékleti ingadozások hatásait elemezni az elméleti vízi ökoszisztéma esetén. - A szimulációs kísérleteket adott egyszer h mérsékleti függvények vizsgálatával kezdem el, hogy a mesterséges ökoszisztéma szaporodási képességét és az ökoszisztéma m ködését vizsgálhassam. - A további kísérletek során olyan h mérsékleti mintázatok hatásának elemzését tervezem elvégezni, amely már valós adatokon, adatsorokon alapul. - Fontos egy ökológiai közösség egyensúlyi állapotának és ez állapot megtartásának vizsgálata különféle zavarások hatására. A szimulációs kísérletek további részében célom az ökológiai rendszer különféle h mérsékleti ingadozásokra adott válaszainak elemzése, az újabb egyensúlyra való beállás menetének vizsgálata. - A mesterséges édesvízi alga közösséget modellez ökoszisztéma légkörre, h mérsékletre kifejtett hatását szeretném vizsgálni a klíma-szabályozás modell segítségével. 5

10 Az ökológiai rendszer magában foglalja az él lényeket, élettelen környezetüket és kapcsolataikat rendszerszemléleti alapon reprezentálja (KALAPOS, 2007). Minden közösségszint ökológiai rendszer m ködését az abiotikus környezet és a biotikus tényez k befolyásolják. Az abiotikus környezet az élettelen ökológiai tényez ket tartalmazza, amelyek egységei a talaj fizikai és kémiai tulajdonságok felölel edafikus, a hegyrajzi (tengerszint feletti magasság, talaj lejtése, stb.) és az éghajlati tényez k (MOSER & PÁLMAI, 1992). A biotikus tényez k alatt egyrészt a szervezetek kölcsönhatásait (termel k, fogyasztók és lebontó szervezetek kölcsönhatásai) értjük, másrészt az antropogén hatás közvetve vagy közvetlenül jelenik meg. Közvetve azáltal, hogy a környezet fizikai, kémiai és biológiai feltételeit megváltoztatja, közvetlenül pedig az él lényekre gyakorolt hatásával (pl. erd irtás). Az él hely és az életközösség dinamikus egységét ökoszisztémának vagy biogeocönózisnak nevezzük, amely meghatározott energiaforgalommal rendelkezik. Az ökoszisztéma viszonylag állandó tér-id rendszer, amelynek komponensei kicserél dhetnek és megváltozhatnak, ezért nyílt rendszernek nevezzük. A legmagasabb fokú ökoszisztéma a bioszféra, amely a három geoszférának (litoszféra, atmoszféra, hidroszféra) az a közös része, ahol él lények élnek. Minden ökoszisztémát meghatározott fajösszetétel és meghatározott egyedszám jellemez. Az ökoszisztémának nemcsak térbeli kiterjedése (biotóp), hanem id beli változékonysága is van, biológiai egyensúlyban van. Az ökoszisztémában jelen lev fajok között versengés indul meg a forrásokért. A kompetitív kizárás és a korlátozott hasonlóság elve szerint csak azok a fajok élhetnek együtt, amelyek ökológiai helye, niche különbözik (HUTCHINSON 1957, HARDIN 1960). A niche jelentése fülke, tehát úgy értelmezhetjük, hogy az élettér a különböz populációk számára a források által alkotott, képzeletbeli fülkécskékre tagolódik. Két azonos niche- populáció tartósan nem élhet ugyanazon a térbeli helyen. A megvalósulás állapotától függ en kétféle niche-t különböztetünk meg, az egyik a fundamentális (lehetséges), a másik a realizált (megvalósult) ökológiai státus. A fundamentális niche azt a teret jelenti, amelyet az él lénypopuláció teljesen magában foglal el a többdimenziós ökológiai térben. Ha a populáció környezetében ténylegesen rendelkezésre álló forrásokat vesszük figyelembe, a megvalósult niche-hez jutunk. A realizált mindig kisebb a fundamentálisnál, mert a környezeti kényszerfeltételek miatt a populációnak le kell mondania egy vagy több környezeti igényének tökéletes kielégítésér l. (PÁSZTOR & MESZÉNA, 2007a) 6

11 Az ökoszisztémák fontos szerepet töltenek be a bioszféra m ködésében. Ökoszisztéma szolgáltatásoknak nevezzük azokat a tevékenységeket, amelyek jótékony hatásait az emberiség élvezi. Ezen szolgáltatások m ködésüket tekintve több csoportba oszthatóak (MEA, 2005): - Élelmezési szerep: az ökoszisztémák részt vesznek különböz termékek el állításában (például étel, víz, fa, rostok, orvosi és kozmetikai termékek). - Szabályozó szerep: az ökológiai rendszerek fontos szabályozó szerepet töltenek be a bioszférában, amely vonatkozik a klíma szabályozására, szén tárolására, víz és leveg tisztítására, katasztrófák helyreállítására. - Kulturális szerep: esztétikai, lelki és feltölt dési élményeket nyújtanak. - Támogató szerep: az ökoszisztémák fontos feladatai közé tartozik az primer és másodlagos produkció el állítása, a biodiverzitás fenntartása, ásványi anyagok körforgásának fenntartása, talaj képz dése. Ezen szolgáltatást az emberek nem közvetlenül érzékelik, ellentétben a fentebb említett három szereppel. Az ökoszisztémák támogató szolgáltatásai és a növények ökofiziológiai tulajdonságai közötti kapcsolat látható az 2-1. táblázatban táblázat: Növények ökofiziológiája és ökoszisztémák szolgáltatásainak kapcsolata (BUCHMANN, 2002) Az élet, így az emberiség fennmaradásának alapja a fotoszintézis, a kizárólagos energiaforrás a Nap. A Föld energiamérlegét mutatja az 2-1. ábra. Látható, hogy a légkör határára érkez sugárzás (342 W/m 2 ) kb. fele éri el a földfelszínt (168 W/m 2 ). Ennek is csak egy sz k tartománya hasznosul a fotoszintézisben ( nm-es hullámhossztartományba es fotoszintetikusan aktív radiáció). A fotoszintézis során a gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre álló fényenergia kémiai energiává alakul át: Fény, növény 6 CO2 + 6 H 2O C6H12O6 + 6 O2 G' = kj (1) G ' a szervezetben létrejöv, hasznos munkára felhasználható szabadentalpia-tartalom növekedésének mértékét jelzi. A növényvilág a Föld felszínére érkez sugárzás 1%-át alakítja át a fotoszintézis során kémiai energiává, ez az energiamennyiség tartja fenn a bioszférát. 7

12 2-1. ábra: A Föld energiamérlege (HEGERL et al., 2007 alapján) Az él szervezetek testének felépítésében mintegy húsz kémiai elem vesz részt, ezek egy részére nagy mennyiségben van szükségük (makro tápanyagok: C, N, P, H, O), míg a mikro tápanyagok kis mennyiségben szükségesek (S, K, Na, Ca, Mg, Fe, stb.) A különböz biogeokémiai ciklusok anyagféleségenként léteznek, de ezek egymástól nem határolhatók el. A bioszférában az anyag különböz formákon keresztül állandó körforgást végez (SZABÓ, 1989). A szén a táplálkozási láncokban a fotoszintézis alkalmával csaknem teljes egészében CO 2 -ként lép fel. A szénciklus során a szén, mint fixált szén, szerves kötésben halad a táplálkozási láncon keresztül, és energia-felszabadító folyamatok során a légkörbe szén-dioxidként távozik. Az olyan szénvegyületek, mint a metán gyorsan CO 2 -dá oxidálódnak, a geológiai üledékek szenét pedig eróziós folyamatok oldják fel. A hidrológiai körforgalmat a napenergia és a földi gravitáció hajtja. A teljes inszolációnak több, mint 80%-a vizet párologtat. A légköri vízg z kondenzálódik és a gravitáció hatására mint csapadék hullik alá. A párolgás során felszabaduló energia a légkörben mint h szóródik szét. A Földön el forduló összes víz csaknem 95%-a k zetekben kémiailag és fizikailag kötötten van jelen, és nem cirkulál. A visszamaradó rész 97,3%-a az óceánokban, 2,1%-a a sarki jégsapkákban és gleccserekben van, míg a többi édesvíz (légköri vízg z, belvíz, talajvíz). A víz körforgásának sebessége a felszín és a légkör között nagyon gyors, a teljes atmoszférában jelen lev vízg z évente több, mint 32-szer csapódik le és tér a párolgással újra vissza. 8

13 A nitrogén körforgásában a legnagyobb mennyiséget a leveg tartalmazza, és a növények többsége képtelen közvetlenül felhasználni. A nitrogén megkötését a talajban lakó nitrogénköt baktérium fajok képesek elvégezni, amely során a nitrogén ammóniává, az ammónia ammóniumvegyületekké, ill. nitrátokká alakul át. Ezek már vízben oldható és a növények számára is felvehet táplálékok. A fel nem használt nitrátokat a baktériumok visszaalakítják nitritekké, majd molekuláris nitrogénné, amely visszajut a leveg be. A foszfor körforgása során a víz a foszfátokat kioldja a k zetekb l. A növények a foszfort a szervetlen vegyületek vizes oldataiból veszik fel, az állatok a növényi táplálékkal jutnak hozzá. Az elpusztult él lényekb l a baktériumok szabadítják fel a foszfor tartalmú szervetlen vegyületeket. A talajból kimosott foszfor az édesvizeken keresztül a tengerekbe kerül, majd a tengerek halaiba jutva a ragadozó madarak közvetítésével újra kikerül a szárazföldre guanó formájában. A Ca-körforgásnak fontos szerkezeti és szabályozó szerepe van a növényekben, egyes algák és gerinctelen állatok küls vázának, továbbá a gerincesek csontozatának f alkotóeleme, üledékes ciklusának f forrásai és nyel i a k zetek. A kén körforgása során kevés légköri komponenssel rendelkezik (kénbaktériumok H 2 S kibocsátása és vulkáni tevékenység), de egyes aminosavak fontos alkotóeleme (pl. metionin). Az emberi tevékenységek miatt az ökoszisztémák anyagforgalmába a természeteshez képest olyan elemek, vegyületek és radioaktív anyagok is bekerülnek, amelyek az él szervezetekben feldúsulva káros hatást fejtenek ki. (Sr-90, higany, DDT, stb.) Az él lények szerves anyagának egyetlen szénforrása az atmoszférában található gáz állapotú CO 2 vagy az óceánokban és vizekben oldott CO 2. Ez a CO 2 a fotoszintézis során szervetlen anyagból szerves anyaggá alakul át. A légköri szén-dioxid koncentráció értéke az elmúlt év alatt ppm tartományban ingadozott a glaciális-interglaciális id szakoknak (jégkorszakok és a jégkorszakok közötti koroknak) megfelel en. Általánosan elfogadott, hogy a glaciális maximum idején a légkörb l távozott CO 2 -ot az óceán nyelte el. Egészen 1750-ig az utolsó év során a CO 2 koncentráció ppm között ingadozott, a szén-körforgás ember-okozta ingadozásai elhanyagolhatóak voltak a természetes változékonysághoz képest óta ez a koncentráció folyamatosan emelkedik, egészen a 2005-ben mért 380 ppm értékig. A CO 2 légköri tartózkodási ideje elegend en hosszú ahhoz, hogy többé-kevésbé egyenletesen keveredjen el a Föld teljes troposzférájában. Koncentrációja a forrásterületekt l eltekintve 9

14 nagyjából mindenütt azonos, csekély eltéréssel az antropogén forrásokban b velked északi és kevésbé szennyezett déli félgömb között.(haszpra, 2000) A növekv légköri szén-dioxid koncentráció a következ emberi tevékenységekb l ered: - Fosszilis tüzel anyagok égetése 2005-ben a világ összes k olaj felhasználása BTU (1BTU (British Termal Unit)= J), gáz BTU és szénb l BTU fogyott. Ezen értékek ekvivalens szén-mennyiségben 5000 Tg/év-nek felelnek meg.(eia, 2006) - Erd irtás Az erd k elfoglalják a Föld területének 30,3%-át ( km 2 ) között az évenkénti változás km 2 /év volt. (FAO, 2007) A változás során 1000 Tg (1 Tg=10 12 g=1 Mt) szén mennyiség távozik a légkörbe. - Cementgyártás (WORRELL et al. 2001, USGS 2006) 2005-ben 2284 Tg cement készült, amely során 307 Tg szén-ekvivalens kibocsátás van, amelyb l 160 Tg C a folyamat során szabadul fel, 147 Tg C az energiahasználatból ered. - Földhasználat megváltozása (biomassza égetés (ITO & PENNER, 2004), ipari termesztés, füves területek átalakítása mez gazdasági területté) A biomassza égetés 2000-ben 5613 Tg szárazanyag mennyiség volt, amelyb l 2814 Tg szárazanyag a nyílt tüzeknek, a maradék pedig a bio-üzemanyagok égetésének tulajdonítható. Összességében 2290 Tg C távozik CO 2 -ként és 32,2 Tg C metánként. HOUGHTON (2003) vizsgálta a földhasználat megváltozásának nagyságát, azt találta, hogy között az évenkénti változásból ered kibocsátás 2,18±0,8 Pg C/év mennyiségének felel meg. A légköri metán koncentrációjának hasonló mérték emelkedését láthatjuk. A metán (CH 4 ) koncentráció értéke 1750-ben 700 ppb volt, míg 2005-ben 1775 ppb értéket tapasztaltak. Ennek els dleges forrásai (az értékek a 90-es évekre vonatkoznak)(stern & KAUFMANN, 1998): - Fosszilis tüzel k: 15,2 Tg CH 4 (gázégetés), 18,0 Tg CH 4 (gázellátás), 46,3 Tg CH 4 (szénbányászat) - Föld feltöltések: 40,3 Tg CH 4 - T zegföld, mocsár, termitek: 200 Tg CH 4 (WANG et al., 2004) - Kér dz állatok: 113,1 Tg CH 4 - Rizstermesztés: 100,8 Tg CH 4 10

15 Mind a CO 2 és a CH 4 fontos szerepet játszik a természetes szén-körforgás során, folyamatos áramaik vannak jelen az óceán, a szárazföldi bioszféra és a légkör között. CANADELL és munkatársai (2007) azt találták, hogy között a légköri széndioxid mennyiségének évi növekedése 1,93 ppm volt, amely megfelel 4,1 Pg C mennyiségnek. A légkörbe bocsátott szén-dioxid egyik nyel je az óceán. A légkör változó szén-dioxid tartalmára az óceán a lassú átkeveredés miatt nagyon lassan reagál. A globális felmelegedés az óceáni CO 2 felvételét csökkentheti, mivel a felszín közeli vízrétegek felmelegedése csökkenti a CO 2 beoldódási sebességét. A szén-dioxid könnyebben oldódik hideg vízben, mint a meleg vízben, de könnyebben oldódik a sós tengervízben, mint a tiszta vízben, mert a tengervíz a természeténél fogva tartalmaz karbonát ionokat. Az óceáni szén-tartalom három formában található meg. A legnagyobb mennyiségben, 98,1%- ban oldott szervetlen szén formájában (Dissolved Inorganic Carbon, DIC) van jelen, 1,85%-ban oldott szerves szén (Dissolved Organic Carbon, DOC) és 0,05 %-ban szerves részecskeként (él vagy élettelen, Particulate Organic Carbon, POC). A szén megjelenési formáinak arányaiból kit nik, hogy az óceánban dönt en abiotikus kölcsönhatások, visszacsatolások vannak jelen. Az óceáni szénkörforgás során három CO 2 -pumpát különböztetünk meg (2-2. ábra). A beoldódási pumpa m ködése során a szén-dioxid és a karbonát ion reakciójaként hidrogén-karbonát képz dik. Ezen reakció miatt a tengervízben a szervetlen szén csak 0,5 %-ban fordul el széndioxid gázként. Mivel a szén-dioxid szintje ilyen alacsony a tengervízben, több szén-dioxid tud belépni a légkörb l a vízbe. Ha a víz a felszínen marad, és felmelegszik, mozgása közben a széndioxid relatíve gyorsan visszakerül a légkörbe. Azonban ha a víz lesüllyed az óceánban, a széndioxid több mint ezer évig tárolódhat, miel tt a cirkuláció visszahozná a felszínre. Magas szélességeken a Déli-óceán, valamint az Atlanti-óceán északi részén a Labrador-tenger és az Északi-tenger hideg vize lesüllyed a mélybe. Ennek következtében ezek a területek az óceán f szén-dioxid nyel i. A szerves szén-pumpa létrejöttekor a fitoplankton a fotoszintézis során felveszi a szén-dioxidot, a baktériumok elfogyasztják ket. Ily módon a tápanyag és a szén-dioxid visszakerül a vízbe. Ez a folyamat a remineralizáció, vagy vissza-ásványosodás, mely f leg a felszíni vizekben történik. Ha a fitoplankton elpusztul és lesüllyed a mély tengerekbe, az általuk remineralizáció révén fölvett széndioxid évszázadokon keresztül elraktározódik, ezáltal csökkentve a globális felmelegedés hatását. A legtöbb ilyen jelleg szén-dioxid elnyelés a magas szélességeken a legintenzívebb, mivel a fitoplanktonok itt olyan nagy tömegben vannak jelen, hogy elpusztulásuk után kell en sok széndioxid tud velük lesüllyedni az óceán mélyebb rétegeibe. 11

16 A harmadik pumpa CO 2 -ot köt meg a mésztartalmú kagylók vázában, a korallokban. Els ránézésre azt vélnénk, hogy nagy mennyiség CO 2 köt dik meg mészk formájában, de a mészk tulajdonképpen szén-dioxidot termel. Ennek az oka az a kémiai egyensúly, amely során két hidrogén-karbonát ionból egy-egy víz, CO 2 molekula és karbonát-ion lesz. A mélyebb vizekben lúgosabb a kémhatás, amely a mész oldódásának kedvez, míg a felszíni rétegekben a savasabb kémhatás a CO 2 -gáz képz désének. Mivel a korallok dönt en meleg vizekben élnek, ezért a keletkez gáz gyorsan eléri a vízfelszínt és a légkörbe távozik ábra: Óceáni szén-pumpák A nettó szén-cserél dés a szárazföldi bioszféra és a légkör között a fotoszintézis által felvett CO 2 és a növények, a talaj légzése, valamint egyéb folyamatok (t z, szél, rovartámadás, erd irtás, földhasználat megváltozása) általi kibocsátások különbsége. Az utóbbi 30 évben ez a nettó C-fluxus -1,0±0,6 GtC érték volt. A szárazföldi ökoszisztémákban a szén-körforgásra hatással lev folyamatok: - Direkt klíma hatások (csapadék, h mérséklet változékonysága): például a h mérséklet emelkedésével növekszik talaj légzése. 12

17 - Légköri összetétel megváltozása (CO 2 trágyázás, táplálék lerakódás, szennyezés): nincs egyetértés a kutatók között, kétharmada a kísérleteknek azt bizonyítja, hogy a CO 2 trágyázásnak köszönhet en n a nettó primer produkció (NPP). A t z hatása a legnagyobb a szárazföldi ökoszisztémák és az atmoszféra közötti C-áramnak (a biomassza és a talaj CO 2 -vé válik), 1,7 GtC-4,1 GtC oxidálódik évente tüzek által, ez a szárazföldi NPP 3-8%-a. - Földhasználat megváltozásával kapcsolatos hatások (erd irtás, erd felújítás, mez gazdasági gyakorlatok, mindezek örökségei) A 2007-es IPCC jelentésben (FISCHLIN et al., 2007) lev szén-körforgalmat mutatja a 2-3. ábra GtC mennyiségre (1 Gt = 1Pg = 1000 Tg). A ciklus hajtóereje a növények fotoszintézise és minden él lény légzése ábra: Szén-körforgás (a fluxusok GtC/év egységben értend k) A természetes hatásokat tekintve az atmoszféra és a szárazföldi bioszféra közötti C-fluxus értéke 120 GtC/év, az óceánok és a légkör között 70 GtC/év, de az antropogén CO 2 kibocsátást figyelembe véve az óceánok és a légkör közötti áramlás 90 GtC/év-re növekszik. A légköri CO 2 -koncentráció növekedése a kilencvenes években 3,2±0,1 GtC/év mennyiséggel egyezett meg. (2000 és 2005 között már 4,1±0,1 GtC volt a növekedés üteme.) A CO 2 - kibocsátások egy része (6,4 GtC) a fosszilis tüzel anyagoknak és cementgyártásnak tulajdonítható, másik része (1,6 GtC) a földhasználat megváltozása okán kerül a légtérbe. Az óceánok CO 2 - nyel ként viselkedve 2,2 GtC-t vesznek fel évente, a szárazföld pedig 2,6 GtC-t vesz fel. Az emberi tevékenységek következtében szennyezzük a környezetet a fosszilis tüzel anyagok égetésével, vagy a földhasználat megváltozásával kapcsolatosan, amelyek a globális szén-egyensúly 13

18 szempontjából lényeges CO 2 forrásként jelennek meg. A keletkez CO 2 a légkörbe távozik, de az egyensúlyra törekvés miatt a bioszférának nem csupán ezt a részét befolyásolja. A keletkez CO 2 egy része növeli a légköri CO 2 koncentrációt, egy része beoldódik az óceánokba, felveszik az északi vidéki erd k és egy része elt nik, egy reziduális nyel be (WOODWELL et al., 1998; HEGERL et al., 2007). Az egyensúly egyenlete az 1990-es évi szén-egyensúly értékeit írja le (GtC mértékegységben). A különböz ökoszisztémák eltér módon vesznek részt a globális szén-körforgás fenntartásában. A 2-2. táblázatban összefoglalom az ökológiai rendszerek kiterjedését, szén-tároló képességét és a légkörbe juttatott nettó CO 2 mennyiség értékeit. A 2003-ra vonatkozó globális NPP értékek mutatják a Föld felszínén a nettó primer produkció eloszlását (2-4. ábra) táblázat: Különböz típusú ökoszisztémák mérete és NPP értékei Magyarországon 1998-ban a nettó CO 2 felvétel hektáronként 4,85 t, 1999-ben 3,38 t volt (HASZPRA & BARCZA, 2001). A mér pont a felszín felett 82 m magasan van, ami a tornyot övez 200 km 2 -re vonatkozik, de valószín síthet Nyugat-Dunántúl hasonló talaj- és vegetációs területeire. Magyarország antropogén kibocsátása 2004-ben 60 millió t CO 2 volt (16,4 Mt C) (UNFCCC, 2006). A hazai ökológiai rendszerek között nettó kibocsátók voltak (évi átlagban 8 Mt CO 2 -ot mértek). (BARCZA et al., 2008) 14

19 2-4. ábra: A Föld nettó primer produkció értékei 2003-ban (TURNER et al., 2006) Az éghajlati állapot viselkedésének meghatározó vonása a nemlineáris bels visszacsatolások által keltett szabad változékonyság. Ha egy visszacsatolásoktól mentes, hipotetikus légkörben a szén-dioxid koncentráció megkétszerez dne, akkor ez +4Wm -2 érték sugárzási kényszert fejtene ki, amit a rendszer h mérsékletének 1,2 0 C-os emelkedése ellensúlyozna (GÖTZ 2004). Az éghajlat biológiai szabályozását különböz egyensúlyra törekv szabályozó körök által fejti ki a Föld. LOVELOCK (1990) szerint az éghajlat szabályozása révén a bioszféra tartja a Földet lakhatónak hosszú évmilliárdokon keresztül. Elmélete, mint GAIA-hipotézis lett ismert, kutatásai során az él Föld és a halott Mars bolygó atmoszférikus összetételét vizsgálva jutott erre a következtetésre. A globális felszíni évi átlagh mérséklet egyensúlyi értékének megváltozását a légköri ekvivalens szén-dioxid koncentrációjának megduplázódása esetén egyensúlyi klíma érzékenységnek nevezzük (HEGERL et al. 2007). Effektív klíma érzékenységnek nevezzük akkor, ha az egyensúlyi követelmények nem teljesülnek. Mértéke függ a klíma visszacsatolási folyamataitól, a történeti adatoktól és a klíma állapotától. A klíma érzékenységi paraméter megmutatja, hogy egységnyi változás a sugárzási kényszerben mekkora változást okoz a globális felszíni évi átlagh mérséklet egyensúlyi értékében (mértékegysége: 0 C(Wm -2 ) -1 ). Az IPCC 2007-es jelentése szerint az egyensúlyi klíma érzékenység valószín leg (vagyis 66%- nál nagyobb valószín séggel) 2 0 C és 4,5 0 C tartományban van, a legjobb becslés 3 0 C körüli érték. Nagyon valószín tlen, hogy az értéke 1,5 0 C alatt legyen. 15

20 A paleoklíma kutatások azt bizonyítják, hogy a CO 2 keveredési arányával arányos a h mérséklet változása az elmúlt év alatt. (BARNOLA et al., 1987) A metán mennyisége az atmoszférában és a h mérséklet viszonya szintén szoros összefüggésben állnak (RAYNAUD et al., 1993). A h mérséklet és a légköri szén-dioxid koncentráció viszonya és aránya viszont eltér volt a különböz id szakokban. Az elmúlt 220 ezer évet tekintve 100 ppm CO 2 keveredési arány növekedés 8 o C h mérsékletváltozást hozott maga után, amely 25 PgC/ o C növekedési aránynak felel meg. Ez a h mérsékleti érzékenység a kis jégkorszak idején ( ) 40 PgC/ o C, jelenleg ( ) 6 PgC/ o C. (KEELING et al., 1989; WOODWELL et al., 1998) A jöv re vonatkozó légköri átlagh mérséklet érték (2-3. táblázat) a szén-dioxid mennyiségével közel lineárisan változik. Az mondható el, hogy 1 0 C változás PgC légköri növekedésnek felel meg a jöv re vonatkozó modellek számításai alapján táblázat: A h mérsékletváltozás el rejelzései az ekvivalens szén-dioxid mennyiségének függvényében (MEEHL et al., 2007 alapján) A szabályozási rendszerek f eleme a visszacsatolási hurok. Ha a visszacsatolási hurok nincs jelen, akkor a klímára érkez teljes hatás a közvetlen küls hatásokból számítható: Y=X (2) ahol Y a kimeneti paramétereket, X a bemeneti paramétereket jelenti. Ha egy visszacsatolási kör van jelen, akkor: Y = X + g X = ( 1 + g )X (3) Ha végtelen sokszor ismétl dhet a visszacsatolási hurok, akkor: Y = X 2 3 ( 1+ g + g + g +...) X = 1 g, ha g < 1. (4) Ha 1>g>0, akkor pozitív visszacsatolásról beszélünk, ha g<0, akkor negatív a visszacsatolás. Ha g>1, akkor instabil a folyamat, Y=. 16

21 A felszíni h mérsékletet írjuk fel különböz faktorok függvényeként, amelyek maguk is függnek a h mérséklett l: T = S f ( p ( T ) p ( T ), p ( T ),...) 1 S, 2 S 3 S Például p 1 (T S ) lehet a föld felszínének albedója, vagyis fényvisszaver -képessége, amely változik, ha a h mérséklet növekedése hatással van a vegetációra. Ekkor az er sítés értéke: f pi g = = gi (6) p T i i S i A klíma leírására használt általános cirkulációs modellek (GCM-ek) néhány fontos visszacsatolási folyamatot tartalmaznak. (LASHOF et al., 1997) A legfontosabb a jég albedójának a pozitív visszacsatolása, a második pozitív visszacsatolás a légkörben jelen lev vízpárával kapcsolatos. A harmadik visszacsatolás a leginkább bizonytalan nagyságú és irányú, a felh k okozta hatás. Összességében ez a három visszacsatolási hurok er sítési tényez je, g, 0,4-0,78 értékek között mozog. A visszacsatolások a hatásukat tekintve különböz csoportokba sorolhatók (HARTMAN et al., 2003). Osztályozhatjuk a bioszféra visszahatásait a légkör viszonyaira aszerint, hogy mértékében jelent s-e, vagy esetleg az ingadozást befolyásolja. 1. Felh és vízg z visszacsatolásai A légkör megnövekedett szén-dioxid-koncentrációja az üvegházhatás miatt közvetlenül felf ti a leveg t, ami magasabb h mérsékleten több vízpárát vesz fel. Ezzel növekszik a h elnyelés mértéke is, ami a vízpára további felvételét idézi el. A vízg z a leghatékonyabb természetes üvegházgáz. Ha az üvegházgáz légköri koncentrációja n, felmelegedés következik be, aminek közvetett következményeként n a légköri páratartalom és ezzel együtt tovább er södik az üvegházhatás. A vízg z okozta visszacsatolás mértékét (üvegházhatás) nehéz megállapítani, mivel a vízg z ellentétben a szén-dioxiddal nem egyenletesen oszlik el a leveg ben. A légrétegek megnövekedett vízg ztartalma ugyanakkor negatív visszacsatolást is kiválthat. A felh k elnyelik az infravörös sugárzást és az elnyelt mennyiség arányában fejtenek ki melegít hatást. Ugyanakkor visszatükrözik a napfény egy részét, így nagy mennyiségük gátolja a felmelegedést (HEGERL et al., 2007; AMMANN et al., 2007). 2. Jég fényvisszaver képességének (albedónak) visszacsatolása A légkörben megnövekedett szén-dioxid-mennyiség felmelegíti a Föld felszínét, megolvasztja a jégtömböket. A jég fehér felületként veri vissza a Nap sugarait, és ahogy olvad, helyét a h t lényegesen jobban elnyel tenger foglalja el. Ett l gyorsabban olvadnak a jégfelületek, és öngerjeszt folyamat alakul ki (SODEN et al., 2006). 17 (5)

22 3. Biogeokémiai visszacsatolások és a szén-körforgás A teljes szén-körforgás és a kén-körforgás is tartalmaznak fontos visszacsatolásokat. Például a szén-dioxid koncentrációjának növekedése a talaj h elnyel képességére hat. A talajban a szén igen finom egyensúlyban raktározódik, és már a h mérséklet egy kis változása is elég ahhoz, hogy a talaj elkezdje kibocsátani a korábban elnyelt szén-dioxidot. A szén-dioxid koncentrációjának növekedése fokozza az es erd kben a növények kilégzését (a transpirációt). Amikor a növények kinyitják a leveleiken elhelyezked légz nyílásokat (sztómákat), elpárologtatják víztartalmuk egy részét. Egy másik pozitív visszacsatolási folyamat során a globális felmelegedés hatására a metánhidrátból metán szabadulhat fel. A metán-hidrát szilárd anyag, de instabil elegy, amely alacsony h mérsékleten képz dik a tengerek mélyén, a tengervíz keltette nagy nyomás alatt. A metánhidrát létrejöttének alapvet feltétele a kell en vastag üledékréteg, amelyben a metán keletkezik. Ha ez az anyag kiszabadul a tengervíz nyomása alól, közvetlenül szublimál és szétoszlik a leveg ben, üvegházhatást okozva gyorsítja a globális felmelegedés folyamatát. (KVENVOLDEN, 1993) Fontos a geológiai negatív visszacsatolás, amely az éghajlat stabilizálásában részt vesz. Ennek során a mélységbe süllyed mészk geotermikusan felhevül, majd a reakció során keletkez CO 2 a t zhányókon keresztül visszakerül a légkörbe, a keletkezett kalcium-oxid reakcióba lép a jelen lév szilicium-dioxiddal, és bazalttá alakul. A felmelegedett bazalt a vulkanikus folyamatok során a felszínre kerül, és mállást követ en újra mészk (CaO) és homokká (SiO 2 ) alakul, a körfolyamat folytatódhat. Ez a körfolyamat légkondicionáló szerepet játszik a Föld éghajlatának alakítása során. (MARX, 1993) 4. Atmoszférikus kémiai visszacsatolások Az aeroszolok jelenléte a Föld felszíni h mérsékletét mintegy C-kal csökkenti, az iparosodott területek felett nagyobb h lést lehet érezni, mivel a légköri aeroszol részecskék fele antropogén eredet. A troposzféra és a sztratoszféra kémiai folyamatai összefüggésben állnak a h mérséklettel, csapadékkal, cirkulációval és a légkör összetételével, így befolyásolják a Föld sugárzási egyensúlyát. 5. Óceán h felvétele és cirkulációs visszacsatolások A tengervíz és a fölötte elhelyezked légrétegek felmelegedésével fokozódhat a párolgás, vagyis n het a légkör vízg ztartalma. A légköri szén-dioxid és az észak-atlanti vízsüllyedés kapcsolatrendszere szintén pozitív visszacsatolású. 18

23 6. Föld hidrológiai és vegetációs visszacsatolások Ide tartozik a talaj-víz visszacsatolás, hó fényvisszaver -képességének visszacsatolása, sztómák s r ségének és m ködésének hatása, levélterület visszacsatolás, biogeográfiai visszacsatolások. Az ökológiai modellezésben egyre nagyobb hangsúly esik a vegetáció és a légkör kölcsönhatására, ezért a kés bbiekben a biotikus visszacsatolásokat részletesen is elemezzük. 7. A klíma rendszer változékonyságának természetes változásai A légköri szén-dioxid és az óceán kölcsönhatása az egyenlít i térségben okozza az El Ni o anomáliát. A légkörzés, az óceáni vízkörzés és a légköri szén-dioxid-mérleg közötti visszacsatolás pozitív (GERESDI & ÁCS, 2004). Az antropogén felmelegedés, valamint a tengerszint emelkedése az éghajlati folyamatok és visszacsatolások id skálája miatt évszázadokon át tovább folytatódhat akkor is, ha az üvegházhatású gázok koncentrációját sikerül stabilizálni (MEEHL et al., 2007; DENMAN et al., 2007) Az éghajlat és a szénkörforgás közötti visszacsatolás várhatóan többlet szén-dioxidot juttat a légkörbe, miközben az éghajlati rendszer melegszik. Ennek a visszacsatolásnak az er ssége azonban bizonytalan. A természetes ökoszisztémák elhelyezkedésüket tekintve két csoportra oszthatók fel: óceáni és szárazföldi rendszerekre. A biotikus visszacsatolások tekintetében a szárazföldi rendszerek nagyságrendekkel nagyobb mennyiség CO 2 -ot juttatnak vissza a légkörbe, mint az óceáni ökoszisztémák (DRÉGELYI-KISS et al., 2008). Az óceáni ökoszisztémák három fontos biotikus visszacsatolása lehetséges. Az egyik fontos óceáni szén-kör klíma visszacsatolási hurkot mutatja a 2-5. ábra (JOOS et al., 1999). A növekv légköri CO 2 megnövekedett sugárzási kényszerhez vezet, amely magasabb tenger-felszíni h mérsékletet (SST) eredményez és az er sebb hidrológiai ciklus által csökken a tengerszint közeli rétegek sótartalma a magasabb szélességeken. Ez a változás indukálhatja a termohalin cirkuláció (THC) és az Észak-Atlanti Mélységi Vizek folyamatainak (NADW) átalakulását, ezáltal a tengeri szén-ciklus módosulását, majd az antropogén szén felszínb l mélybe való szállításának a csökkenését eredményezi. Ez a csökken óceáni CO 2 felvétel ily módon gyorsíthatja a légköri CO 2 növekedését. A klímára vonatkozó másik fellelhet óceáni biotikus visszacsatolás a fitoplankton dimetilszulfid termelése, amely során a dimetil-szulfid a légkörbe érve oxidálódik, aeroszolokká alakulhat, amely csökkenti a globális felmelegedést (SIMO, 2001). 19

24 Harmadrészt az óceáni szerves-szén pumpa m ködése korlátozott az ásványi anyagok mennyiségével, így a növekv mennyiség szén-dioxiddal nem n az óceáni nettó primer produkció értéke (ZONDERVAN, 2007). Légköri CO 2 n Antropogén C elnyelése csökken SST n Óceáni szénciklus átrendez dése + Felszínközeli vizek sótartalma csökken NADW átrendez dése Termohalin cirkuláció átrendez dése 2-5. ábra: Pozitív visszacsatolású óceáni szénciklus-klíma szabályozási hurok A szárazföldi ökológiai rendszerek a biotikus visszacsatolásaikat a klímára a különböz biokémiai körök által fejtik ki. Ezen körök közül a legnagyobb mennyiség árammal a szén-kör rendelkezik (2-4. táblázat) táblázat: Kémiai elemek körforgásának természetes és antropogén mennyiségi értékei, 2000 (FALKOWSKI et al., 2000) 20

25 A szárazföldi ökoszisztémák három- vagy négyszeres mennyiség szenet tárolnak, mint ami a légkörben fellelhet, és a légköri CO 2 több mint egy nyolcada egy év alatt átáramlik az ökoszisztémákon a légzés és fotoszintézis folyamatain keresztül. A szénciklus két alapvet alkotóelemre osztható, CO 2 -ra és metánra, ezek meghatározó szerepet töltenek be az ökoszisztéma szabályozásában. Az el bb említett molekulákon kívül befolyásolhatják a klímát a biogén aeroszolok (pl. izoprén) jelenléte is. A szárazföldi szén-körforgás során fellelhet visszahatások a klímára (2-6. ábra) az alábbiak: 1. Fotoszintézis respiráció egyensúlya A növekv CO 2 mennyisége (CO 2 -trágyázás) negatív visszacsatolással van a klímára, mivel a növény több C-t tud felvenni, amely csökkenti a légköri CO 2 mennyiségét. A CO 2 -trágyázás hatását (CFE) számos kísérletben becsülték. LOBELL és FIELD (2008) azt találta, hogy az általában használt mez gazdasági terményekre (rizs, kukorica, búza) 1 ppm CO 2 keveredési arány növekedésével 0,1% hozamnövekedés érhet el. Mindez átlagosan egy évnyi CO 2 koncentrációnövekedést figyelembe véve 0,14% hozamnövekedést eredményez (0,07% szórással). 2. Lápok metán kibocsátása A metán emissziójának három fontos szabályozója a talaj h mérséklete, a víztábla mélysége és a felbontható talajréteg mennyisége. A metán többféleképpen áramolhat a légkörbe: molekuláris diffúzióval, felbugyogva, vagy edényes növények szárán át. A metán a légkörbe érvén, az üvegházhatás miatt tovább emeli a h mérsékletet, amely még több metán felszabadulását eredményezi. A mocsaras és elárasztott területek (rizsföldeket is figyelembe véve) 8, km 2 területen fekszenek, amelyb l 4, km 2 a trópusi és szubtrópusi vidékeken helyezkedik el (CLARKE, 1994). A metán kibocsátás mennyisége Tg CH 4 /év (GEDNEY et al., 2004). 3. Biogén aeroszolok Az aeroszolok fontosak a klíma rendszerben, mivel abszorbeálják, visszaverik vagy szórják a bejöv napsugárzást, ezáltal h t hatással rendelkeznek. Az aeroszolok mennyiségi eloszlása a 2-5. táblázatban látható. A fotoszintézis során sok szerves illékony anyag kerül ki a légkörbe, amelyek hidroxil gyökökkel reakcióba lépve ún. másodlagos szerves aeroszolokat alkotnak. A másodlagos szerves aeroszolok (SOA) keletkezésüket tekintve két csoportra oszthatók. A biogén SOA 90%-os arányban van jelen, a biogén illékony szerves anyagok (VOC) oxidációjával jön létre. 10%-ban az antropogén eredet VOC-k oxidációja adja a SOA légkörben el forduló mennyiségét. Az erd k nagy izoprén kibocsátók, évente akár millió t C mennyiséget is emittálhatnak. 21

26 2-5. táblázat: Az aeroszolok mennyiségi eloszlása (KANAKIDOU et al., 2005) 4. Talaj respiráció A h mérséklet növekedésével a talaj légzése gyorsul, ezáltal több szén-dioxid távozik a légkörbe, amely er síti a felmelegedést. RAICH és munkatársai (2005) vizsgálták a talaj CO 2 fluxus mértékét között. Azt találták, hogy az átlagos évi fluxus értéke 80,4 Pg C (79,3-81,8 Pg C) volt, és a h mérséklet éven belüli változását figyelve 3,3 PgC/év/ 0 C értéket mértek. 5. A talaj és avar nagyobb CO 2 tartalma (KIMBALL et al., 2001) A megnövekedett CO 2 koncentráció indirekt módon eredményezheti az alacsonyabb fokú N hozzáférést, amely kevésbé engedi a növény növekedését. 6. Melegedés hatása a növényekre (FEELEY et al., 2007) A melegedés megnövekedett víz-felhasználást okoz, a h mérséklet eltolódása az optimum értékr l csökkenti a CO 2 felvételt, a fotoszintézis sebességét, amely a sztómák vezet képességének csökkenéséb l ered. Magasabb h mérsékleten és többlet CO 2 jelenlétében a sztómák s r sége és száma viszont növekszik. (PANDEYA et al., 2007) 7. T z gyakoriság (RUNNING, 2006) A melegedés gyakoribbá teszi az erd - és bozóttüzek el fordulását, amely csökkenti a szárazföldi ökoszisztémák C-tartalmát, növeli a légkör CO 2 koncentrációját, amely tovább növeli a h mérsékletet. A évi IPCC jelentés (FISCHLIN et al., 2007) szerint a 1,5 2,5 C-ot meghaladó globális átlagh mérséklet növekedés jelent s változásokat idéz el az ökológiai rendszer szerkezetében és m ködésében, különös tekintettel a biológiai sokféleségre és az ökoszisztémák javaira és szolgáltatásaira. Az éghajlatváltozásra valószín leg a különböz ökológiai rendszerek nem tudnak megfelel rugalmassággal reagálni, mivel egyre gyakoribbak és nagyobb mérték ek a zavarok (például: áradás, szárazság, futót z, rovarok, az óceán savasodása) és egyéb globális változásokat kiváltó okok (például: a földhasználat megváltozása, a környezetszennyezés, az er források túlságosan nagy mérték kiaknázása). 22

27 + H mérséklet Légköri CO 2 koncentráció +/ Talaj h mérséklet Fotoszintézis Talaj mikrobáinak aktivitása Növények légzése Növényi C-tárolás + - Légköri CH 4 koncentráció - + Talaj légzés - Talaj C-tárolás Metán termelés + + T z gyakoriság - Nettó ökoszisztéma Szén-tárolás 2-6. ábra: A szén-körforgás és a klíma hatás-ábrája [LASHOF et al., 1997 nyomán] A globális klímaváltozás hatására a Föld nagyobb részén megváltoztak az él helyi feltételek, amelyekre az él lények különböz módon és mértékben reagálnak (adaptálódás, elvándorlás, kihalás). Ezen hatások legnagyobb mértékben a szárazföld belsejében, a sarkok közelében illetve az óceánok és tengerek partjainál elterül területeken érzékelhet k (HARNOS et al., 2008). A biológiai sokféleség csökkenésének számos következménye lehetséges. A leglátványosabb a fajok számának csökkenése, amelyet tovább fokoz, hogy a ma él fajoknak csupán töredékét ismerjük. Sok esetben csökken a gyakori fajok állománya, amelyr l sajnos szintén csak ritkán vannak pontos adatok. Az állománycsökkenés természetesen a genetikai változatosság elszegényedését vonja maga után, amelynek következtében a populáció fennmaradásának esélye romlik, hiszen a genetikai sokféleség a túlélés egyik kulcsa. Harmadrészr l az ökoszisztémák sokfélesége is változik. Az él helyek változatos formációja lehet vé teszi az él lények létezését és fennmaradását a legkülönböz bb geológiai és éghajlati viszonyok között. Az ökoszisztémák ilyen vonatkozású szerepe is kevéssé ismert. (NECHAY, 2002) A természetes ökológiai rendszereknél dinamikus egyensúly figyelhet meg a klíma és ökoszisztémák között. Ennek értelmében, ha a rendszert valamilyen hatás éri, akkor erre válaszreakció indul az egyensúly fenntartása érdekében. Ennek mértéke lehet hirtelen bekövetkez, 23

28 azaz ugrásszer, másrészr l pedig fokozatos. Azonban a jelenleg kialakult helyzetben alighanem a kiszámíthatatlan, ugrásszer változások fognak dominálni. Egyes változók, mint például a fenológiai sajátságok (növények fejl dési szakaszainak megjelenése az év során), egyszer en követik a megváltozó klimatikus feltételeket; ha a klíma fokozatosan változik, akkor ezekben az esetekben is fokozatos eltolódásra számíthatunk (FITTER & FITTER, 2002). Számolni kell azzal a lehet séggel is, hogy egy fokozatos klimatikus változás hatására ugrásszer válaszreakció alakul ki. A tengerparti ár-apály zónában mutatták ki, hogy kismérték h mérséklet-emelkedés hatására is a közösség jelen sen átalakul, amelyet a domináns ragadozók számának drasztikus csökkenése okoz (SANFORD, 1999). Nem hagyhatjuk figyelmen kívül azt sem, hogy az el rejelzések szerint n ni fog a széls séges id járási események valószín sége, amely tovább növeli az ugrásszer hatások bekövetkezési valószín ségét. Egyes kutatók szerint a legtöbb fokozatosnak t n átalakulás mögött is valójában néhány rövid, széls séges esemény és az arra adott ugrásszer válaszreakció rejlik (EASTERLING et al., 2000). A válaszreakciók értékelésénél további nehézséget jelent a rövid és hosszú távú válaszok jelent s eltérése, akár ellentétes hatásmechanizmusa, másrészr l pedig a válaszreakciók id beli eltérése, valamint jelent s késleltetése. Klímaváltozás során nem a dinamikus egyensúlyban lév rendszer kibillentésr l van szó, hanem el fordulhat, hogy a szukcessziós lépések (növénytakaró kialakulásának folyamata) megszakadnak, illetve a várttól eltér lépések következnek be. Egy erd tüzet követ en regenerálódó mediterrán cserjésben a mesterséges szárazságkezelés hatására nem változik a fajszám, miközben a kontroll parcellában a betelepül fajoknak köszönhet en folyamatosan emelkedik (PENUELAS et al., 2007). A leromlott, degradálódott és regenerálódó közösségek klímaváltozásra bekövetkez válaszreakciója jelent sen eltér a természetes állományok reakciójától. Ezen folyamatok azért fontosak számunkra, mert napjainkban Európában legalábbis több ilyen terület van, mint természetes. (CZÚCZ et al., 2007). A diszturbancia (zavarás, bolygatás) jelenségének értelmezése a tudomány fejl désével együtt megváltozott, hiszen eleinte a természetben megfigyelhet egyensúlyi körülményekt l való eltérésnek tekintették, míg napjainkban az ökoszisztéma ökológiai integritásának fenntartásáért felel s tényez ként említik. A fogalom magyarázatára számos meghatározás született (LASKA, 2001). Sz kebb értelemben a diszturbancia egy olyan esemény, amelynek hatására lecsökken a biomassza mennyisége (GRIME, 1973). Más megfogalmazásban olyan eseménynek tekinthet, ami id ben viszonylag elkülönül, amely megbolygatja az életközösség, populáció illetve ökoszisztéma életét, megváltoztatja az er források, környezeti tényez k felhasználhatóságát, a fizikai környezetet (PICKETT & PARKER, 1997). Összességében elmondható, hogy a diszturbancia nem jelent 24